專利名稱：一種電能計量芯片驗證系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字芯片驗證技術，尤其涉及在電能計量芯片驗證過程中，減小通道耦合的電能計量芯片驗證系統。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，電子式電能表因其具有多功能、智能化的優點，得到了廣泛的應用。電能計量芯片是電子式電能表的核心部件，擔負著電能計量的任務，該芯片的精度直接影響到電能表的計量精度。
圖1為電能計量芯片的原理示意圖。如圖1所示，V_I+和V_I-為電網電流經取樣電阻生成電流路差分信號，V_V+和V_V-為電網電壓經電壓取樣電阻生成電壓路差分信號；電流路差分信號和電壓路差分信號經差分放大后生成電流路差分放大信號和電壓路差分放大信號；這兩路差分放大信號經模數轉換后生成電流路和電壓路1比特(BIT)碼流；這兩路1BIT碼流經抽取濾波器后變為電壓路并行數據和電流路并行數據；兩路并行數據相乘后生成功率數據；再將該功率數據經數頻轉換后，以一定頻率的脈沖形式輸出，脈沖頻率高表示輸出功率大，脈沖頻率低表示輸出功率小；輸出的脈沖可以采用電能計量芯片外的計數器進行計數，從而實現電能的計量。其中，電能計量芯片中的差分放大、模數轉換、抽取濾波在實現時采用一個芯片中的兩路模塊分別對電流路和電壓路信號進行相應的處理。
以8倍表為例，當基本電流(IB)為5A時，在1000∶1的動態范圍內，電網上的電流范圍為40mA～40A，而電壓的范圍要小很多，通常在220V±20％左右，由于電流與電壓相乘得到功率，可見電流的小誤差會導致測量功率的較大誤差。因此通常要求該電能計量芯片電流通路的電流在1000∶1的動態范圍內實現小于0.1％的誤差。為了保證所生產電能計量芯片的指標滿足設計要求，尤其是精度要求，像電能計量芯片這類帶有數字功能的芯片在投產前都要經過現場可編程邏輯陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的驗證，驗證方式是采用搭建電路再現電能計量芯片的差分放大和模數轉換部分，而電能計量芯片的抽取濾波、功率計算和數頻轉換這3部分由FPGA完成。
圖2為現有電能計量芯片驗證系統的組成框圖。參見圖2，雙通道差分放大模塊210中包含兩個差分放大器，電流路取樣差分信號V_I+和V_I-輸入雙通道差分放大模塊中的一個差分放大器，經差分放大后，輸入雙通道模數轉換模塊201的一個通道；電壓路取樣差分信號V_V+和V_V-輸入雙通道差分放大模塊210中的另一個差分放大器，經差分放大后，輸入雙通道模數轉換模塊201的另一個通道。雙通道模數轉換模塊201將接收的模擬量電流路取樣差分放大信號轉換成電流路1BIT碼流，將接收的模擬量電壓路取樣差分放大信號轉換成電壓路1BIT碼流，并將電流和電壓兩路1BIT碼流輸出給FPGA230。FPGA230實現抽取濾波、乘法器和數頻轉換功能，送出頻率脈沖給計數器105。其中，雙通道差分放大模塊210采用一個差分放大芯片實現，該差分放大芯片中至少有兩個差分放大器；雙通道模數轉換模塊201采用一個模數轉換芯片實現，該模數轉換芯片中至少有兩路模數轉換通道。另外，雙通道差分放大模塊210和雙通道模數轉換模塊201都由模擬電源VDD202供電，這兩個模塊接地端都接入系統模擬地VSS203。模擬電源VDD202與模擬地VSS203共用一套模擬電源和地，模擬電源和地由外接直流電源提供。
由上述技術方案可見，在電能計量芯片的驗證系統中因為電流和電壓信號在同一差分放大模塊中進行差分放大，并且在同一模數轉換模塊中進行模數轉換，同一模塊中通道間的耦合電容導致信號通道耦合的產生；同時通道也會通過共用的模擬電源和地產生通道耦合。對于精度要求很高的電能計量來說，電壓對電流通路的耦合會導致出現較大的計量誤差，特別是在幾十毫安小電流的情況下，電壓通道對電流通道的耦合相當嚴重，致使測量結果不能滿足電能計量芯片設計中0.1％的誤差精度要求。當在FPGA230中將電流數據和電壓數據相乘后，得到的功率數據與真實數據相差較大。因此現有電能計量芯片驗證系統的不足就在于差分放大和模數轉換模塊中電壓和電流通路之間存在耦合，導致電能計量芯片驗證系統的測量結果精度不能達到設計要求。

發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種電能計量芯片驗證系統，能夠極大的減小通道間耦合。
為了達到所述發明目的，本發明提供了一種電能計量芯片驗證系統，該系統包括電流路差分放大模塊、電壓路差分放大模塊、電流路模數轉換模塊、電壓路模數轉換模塊和現場可編程邏輯陣列FPGA；所述電流路差分放大模塊，用于接收取自被測電網的電流路取樣差分信號，經差分放大后，生成電流路取樣差分放大信號，輸入電流路模數轉換模塊；所述電流路模數轉換模塊，用于接收電流路差分放大模塊輸出的電流路取樣差分放大信號，生成數字量電流路取樣信號，輸入FPGA；所述電壓路差分放大模塊，用于接收取自被測電網的電壓路取樣差分信號，經差分放大后，生成電壓路取樣差分放大信號，輸入電壓路模數轉換模塊；所述電壓路模數轉換模塊，用于接收電壓路差分放大模塊輸出的電壓路取樣差分放大信號，生成數字量電壓路取樣信號，輸入FPGA；所述FPGA，用于接收電流路模數轉換模塊輸出的數字量電流路取樣信號和電壓路模數轉換模塊輸出的數字量電壓路取樣信號，分別對這兩路信號進行抽取濾波后，將濾波結果相乘，生成功率數據，并將功率數據轉換成脈沖形式輸出。
其中，所述電流路模數轉換模塊為單通道模數轉換模塊；所述電壓路模數轉換模塊為單通道模數轉換模塊。
所述電流路差分放大模塊為單通道差分放大模塊；所述電壓路差分放大模塊為單通道差分放大模塊。
所述電流路差分放大模塊和電流路模數轉換模塊，由第一模擬電源供電，并由第一模擬地提供參考地電勢；所述電壓路差分放大模塊和電壓路模數轉換模塊，由第二模擬電源供電，并由第二模擬地提供參考地電勢；所述第一模擬地和所述第二模擬地之間為同一參考地電勢。
較佳的，所述第一模擬電源接入外接第一直流電源的電源端，所述第一模擬地接入所述外接第一直流電源的接地端；所述第二模擬電源接入外接第二直流電源的電源端，所述第二模擬地接入所述外接第二直流電源的接地端；所述外接第一直流電源的接地端和所述外接第二直流電源的接地端共地。
較佳的，所述第一模擬電源和所述第二模擬電源接入同一外接直流電源的電源端；所述第一模擬地和所述第二模擬地接入所述同一外接直流電源的接地端。
其中，所述第一模擬電源和所述第二模擬電源分別通過磁珠接入同一外接直流電源的電源端；所述第一模擬地和所述第二模擬地分別通過磁珠接入所述同一外接直流電源的接地端。
本發明在電能計量芯片的驗證系統中采用兩個單通道差分放大模塊和兩個單通道模數轉換模塊分別對電流和電壓信號進行處理。由于耦合電容與通道間的距離成反比，因此電流和電壓通道間距離的增大使得通道間耦合電容減小，可以減到幾乎忽略不計的程度，解決了通道間因耦合電容而引起的通道耦合問題。此外，本發明將電流路的差分放大模塊和模數轉換模塊接入一套獨立的模擬電源和地，將電壓路的差分放大模塊和模數轉換模塊接入另一套獨立的模擬電源和地，因此，同一模塊中兩通道通過電源和地產生的耦合可以降到忽略不計的程度，解決了通道間由于共用模擬電源和地而產生的耦合問題。本發明與現有電量計量芯片驗證系統相比，僅增加了一個模數轉換模塊和一套模擬電源和地，實現起來較為簡單，代價較小。


圖1為電能計量芯片的原理示意圖。
圖2為現有電能計量芯片驗證系統的組成框圖。
圖3為本發明電能計量芯片驗證系統的組成框圖。
圖4為本發明電能計量芯片驗證系統第一種電源供電的原理示意圖。
圖5為本發明電能計量芯片驗證系統第二種電源供電的原理示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明進一步詳細說明。
本發明的核心思想是在電能計量芯片驗證系統中采用兩個差分放大模塊，分別對電流、電壓取樣信號進行差分放大；同時，采用兩個模數轉換模塊，分別對電流、電壓取樣信號進行模數轉換，解決了通道間因耦合電容而引起的通道耦合問題。
其中，兩個差分放大模塊分別采用兩個能夠實現差分放大的芯片實現，兩個模數轉換模塊分別采用兩個能夠實現模數轉換的芯片實現。
如圖3所示，圖3為本發明電能計量芯片驗證系統的組成框圖。與圖2所示的現有電能計量芯片驗證系統的不同之處在于，圖3的電能計量芯片驗證系統300采用兩個獨立的單通道差分放大模塊分別對電流和電壓進行差分放大；另外還采用兩個獨立的單通道模數轉換模塊分別對電流和電壓進行模數轉換。電壓和電流通道的距離增加，通道間耦合電容減小，可以減到幾乎忽略不計的程度。
其中，電能計量芯片驗證系統300包括單通道差分放大模塊321、單通道差分放大模塊322、單通道模數轉換模塊301、單通道模數轉換模塊311和FPGA330。
單通道差分放大模塊321、322與單通道模數轉換模塊301、311是對電網電流路和電壓路取樣信號進入FPGA330前進行處理的電路。單通道差分放大模塊采用含有一個差分放大器的差分放大芯片實現，單通道模數轉換模塊采用含有一路模數轉換通道的模數轉換芯片實現。當然，上述單通道芯片也可以采用多通道芯片，但是需要采用兩個多通道芯片分別對電流路和電壓路的信號進行處理。
單通道差分放大模塊321的兩個輸入端分別連接在串入電網零線102上的取樣電阻103的兩端，接收電網電流經取樣電阻103生成的電流路取樣差分信號V_I+和V_I-，V_I+和V_I-經差分放大后，輸出電流路取樣差分放大信號給單通道模數轉換模塊301。
單通道模數轉換模塊301用于將模擬量電流路取樣信號轉換為數字量。該模塊接收單通道差分放大模塊321輸出的電流路取樣差分放大信號，將其轉換成電流路1BIT碼流，即數字量電流路取樣信號，輸出給FPGA330。
單通道差分放大模塊322的兩個輸入端分別連接在連入電網的分壓電阻104的分壓輸出端，接收電網電壓經分壓電阻104分壓后的電壓路取樣差分信號V_V+和V_V-。V_V+和V_V-經單通道差分放大模塊322的差分放大后，輸出電壓路取樣差分放大信號給單通道模數轉換模塊311。
單通道模數轉換模塊311接收單通道差分放大模塊322輸出的電壓路取樣差分放大信號，將其轉換成電壓路1BIT碼流，即數字量電壓路取樣信號，輸出給FPGA330。
FPGA330用于實現電流計量芯片中抽取濾波、乘法器和數頻轉換的功能。FPGA330接收單通道模數轉換模塊301和311送來的電流路和電壓路1BIT碼流，對這兩路1BIT碼流信號抽取濾波后，將其結果相乘，并將乘積轉換為脈沖形式的頻率信號。最后將表示功率的脈沖信號從電能計量芯片驗證系統300輸出，由外接的計數器105進行計數，從而實現電能的計量。
為了進一步減小通道間的耦合，本發明將單通道差分放大模塊322和單通道模數轉換模塊311接入一套獨立的模擬電源和地；將單通道差分放大模塊321和單通道模數轉換模塊301接入另一套獨立的模擬電源和地。因此，無論差分放大時或者模數轉換時，電流和電壓通路通過模擬電源和地的耦合就可以降到忽略不計的程度。如圖3所示，單通道差分放大模塊321和單通道模數轉換模塊301由模擬電源VDD302供電，兩模塊的接地端接入電能計量芯片驗證系統300的模擬地VSS303。單通道差分放大模塊322和單通道模數轉換模塊311采用另一套獨立的模擬電源和地，這兩個模塊由模擬電源VDD312供電，模塊的接地端接入電能計量芯片驗證系統300的模擬地VSS313。模擬地VSS303和VSS313之間為同一參考地電勢，即需要在電能計量芯片驗證系統300外共地。
電能計量芯片驗證系統300的兩套獨立的模擬電源和模擬地是由外接直流電源提供的。在實際應用中，這兩套模擬電源和地可以由兩套外接直流電源分別提供。如圖4所示，外接直流電源400中包括兩套直流電源和地，分別為電源VDD402和參考地VSS403，以及電源VDD412和參考地VSS413。這兩套直流電源和地分別為電能計量芯片驗證系統300提供電流通路和電壓通路的模擬電源和地。其中，VDD402接入電能計量芯片驗證系統300的VDD302，VSS403接入VSS303；VDD412接入電能計量芯片驗證系統300的VDD312，VSS413接入VSS313；VSS403和VSS413相連，并接入同一參考地電勢，因此VSS303和VSS313就獲得了相同的參考地電勢。
為了節省資源，也可以采用一套外接直流電源為電能計量芯片驗證系統300供電。如圖5所示，外接直流電源500中包括一套直流電源和地，為電源VDD502和參考地VSS503。VDD502通過磁珠接入電能計量芯片驗證系統300的VDD302，同時VDD502通過另一磁珠接入電能計量芯片驗證系統300的VDD312；VSS503通過磁珠接入電能計量芯片驗證系統300的VSS303，同時VSS503通過另一磁珠接入電能計量芯片驗證系統300的VSS313。VSS503接入一個參考地電勢，因此VSS303和VSS313就獲得了相同的參考地電勢。
由以上所述可以看出，采用本發明的電能計量芯片驗證系統，解決了電壓和電流通道間因耦合電容而引起的通道耦合問題，同時解決了由于共用模擬電源和地而產生的通道耦合問題。并且，與現有電能計量芯片驗證系統相比只增加了一個差分放大模塊、一個模數轉換模塊和一套模擬電源和地，實現較為簡單，代價較小。
綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電能計量芯片驗證系統，其特征在于，該系統包括電流路差分放大模塊、電壓路差分放大模塊、電流路模數轉換模塊、電壓路模數轉換模塊和現場可編程邏輯陣列FPGA；所述電流路差分放大模塊，用于接收取自被測電網的電流路取樣差分信號，經差分放大后，生成電流路取樣差分放大信號，輸入電流路模數轉換模塊；所述電流路模數轉換模塊，用于接收電流路差分放大模塊輸出的電流路取樣差分放大信號，生成數字量電流路取樣信號，輸入FPGA；所述電壓路差分放大模塊，用于接收取自被測電網的電壓路取樣差分信號，經差分放大后，生成電壓路取樣差分放大信號，輸入電壓路模數轉換模塊；所述電壓路模數轉換模塊，用于接收電壓路差分放大模塊輸出的電壓路取樣差分放大信號，生成數字量電壓路取樣信號，輸入FPGA；所述FPGA，用于接收電流路模數轉換模塊輸出的數字量電流路取樣信號和電壓路模數轉換模塊輸出的數字量電壓路取樣信號，分別對這兩路信號進行抽取濾波后，將濾波結果相乘，生成功率數據，并將功率數據轉換成脈沖形式輸出。
2.根據權利要求1所述的驗證系統，其特征在于，所述電流路模數轉換模塊為單通道模數轉換模塊；所述電壓路模數轉換模塊為單通道模數轉換模塊；所述電流路差分放大模塊為單通道差分放大模塊；所述電壓路差分放大模塊為單通道差分放大模塊。
3.根據權利要求1所述的驗證系統，其特征在于，所述電流路差分放大模塊和電流路模數轉換模塊，由第一模擬電源供電，并由第一模擬地提供參考地電勢；所述電壓路差分放大模塊和電壓路模數轉換模塊，由第二模擬電源供電，并由第二模擬地提供參考地電勢；所述第一模擬地和所述第二模擬地之間為同一參考地電勢。
4.根據權利要求3所述的驗證系統，其特征在于，所述第一模擬電源接入外接第一直流電源的電源端，所述第一模擬地接入所述外接第一直流電源的接地端；所述第二模擬電源接入外接第二直流電源的電源端，所述第二模擬地接入所述外接第二直流電源的接地端；所述外接第一直流電源的接地端和所述外接第二直流電源的接地端共地。
5.根據權利要求3所述的驗證系統，其特征在于，所述第一模擬電源和所述第二模擬電源接入同一外接直流電源的電源端；所述第一模擬地和所述第二模擬地接入所述同一外接直流電源的接地端。
6.根據權利要求5所述的驗證系統，其特征在于，所述第一模擬電源和所述第二模擬電源分別通過磁珠接入同一外接直流電源的電源端；所述第一模擬地和所述第二模擬地分別通過磁珠接入所述同一外接直流電源的接地端。
全文摘要
本發明公開了一種電能計量芯片驗證系統，電流路和電壓路差分放大模塊分別接收取自被測電網的電流路和電壓路取樣差分信號，差分放大后分別輸入電流路和電壓路模數轉換模塊，生成數字量電流路和電壓路取樣信號，輸入FPGA；FPGA對數字量電流路和電壓路取樣信號抽取濾波，將濾波結果相乘生成功率數據，并將功率數據轉換成脈沖形式輸出。本發明解決了通道間因耦合電容而引起的通道耦合問題。此外，本發明通過將電流路差分放大模塊和模數轉換模塊接入一套獨立的模擬電源和地，將電壓路差分放大模塊和模數轉換模塊接入另一套獨立的模擬電源和地，還解決了通道間由于共用模擬電源和地而產生的耦合問題。
文檔編號G01R22/06GK1952678SQ200610160858
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年11月30日
發明者楊作興 申請人:北京中星微電子有限公司